Chương 1_Giới thiệu chung về khoa học và công nghệ vật liệu

8/31/2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

GIỚI THIỆU MƠN HỌC

VẬT LIỆU KỸ THUẬT

- Số tín chỉ: 3 (2-1-0)
- Số tiết: 45 tiết; LT: 33 tiết; BT: 6 tiết; TN: 6 tiết
- Đánh giá: * Điểm quá trình: 40 %

Giảng viên: TS. Nguyễn Thị Hằng Nga

+ Chuyên cần: 20%

+ Kiểm tra giữa kỳ: 30%

+ Báo cáo Thí nghiệm: 30%

+ Thuyết trình: 20%

Email:

* Điểm thi học phần: 60 %
- Hình thức thi: Viết
- Thời gian thi: 90 phút

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

MỤC ĐÍCH MƠN HỌC
Sau khi hồn thành mơn học sinh viên:
- Có khả năng phân tích được cấu trúc, tính chất cơ học, của các
loại vật liệu thường dùng trong kỹ thuật;
- Vận dụng các kiến thức của mơn học trong tính tốn thiết kế chi
tiết máy;
- Lựa chọn vật liệu phù hợp để thiết kế quy trình gia công, chọn
dụng cụ, chọn máy phù hợp với từng ngun cơng sản xuất;
- Có khả năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, viết báo cáo và
trình bày báo cáo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

NỘI DUNG MƠN HỌC
Chương

Nội dung

6

Khái niệm chung về gang và thép

7

Một số loại thép thường dùng trong kỹ thuật và
ứng dụng
Vật liệu phi kim loại và vật liệu composite

8

NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương

Nội dung

1

Giới thiệu chung về khoa học và công nghệ vật liệu

2
3

GIỚItrúc
THIỆU
VỀnguyên
KHOA HỌC
Cấu
vàCHUNG
liên kết
tửVÀ
trong chất rắn và
CƠNG NGHỆ VẬT LIỆUkim loại

Tính chất cơ học của vật liệu

4

Giản đồ pha của hệ kim loại

5

Công nghệ nhiệt luyện thép

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vật liệu học cơ sở, Nghiêm Hùng, NXB KH&KT, 2002.

[2] Khoa học kỹ thuật vật liệu, sách dịch, Tác giả: William D.
Callister, Đại học Thủy Lợi Hà Nội. (Giáo trình).
[3] Vật liệu học, Lê Công Dưỡng, NXB KH&KT, 2000.
[4] Engineering Materials 1 and 2. An Introduction. Butterworth
Heinemann; 2005.

1


8/31/2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

U CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN
- Đến lớp đúng giờ và đầy đủ theo thời khoá biểu của Nhà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Trường.
- Tìm hiểu trước nội dung liên quan đến buổi học.

NỘI DUNG

- Tham gia trao đổi, thảo luận và trả lời các câu hỏi.

1.1.
1.2.
1.3.
1.4.

- Không sử dụng điện thoại trong lớp học.

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
9

Lịch sử phát triển
Đối tượng nghiên cứu của môn học

Phân loại Vật liệu
Xu hướng phát triển: Vật liệu mới

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
10

1.1.1. Thời kỳ sử dụng các vật liệu sẵn có trong tự nhiên

- Vật liệu hữu cơ: gỗ, da, sợi thực vật

1.1.2. Thời kỳ chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm
- 8000-3000 năm TCN:
+ luyện đồng (Thổ Nhĩ Kỳ), chế tạo vũ khí và các dụng cụ bằng đồng

- Vật liệu vô cơ: Đất sét, đá

+ trống đồng VN có niên đại từ 3000-4000

- Kim loại: Đồng, Sắt, Vàng, Bạc (ở dạng thô)

- 3000 năm TCN: luyện thép (Trung Quốc, Ai cập)

Năng suất lao động thấp

- Thế kỷ 15 TCN:
+ tôi thép (thanh kiếm Đamascus nổi tiếng)
+ sử dụng xi măng (Ai Cập, Babylon)
- Thế kỷ 19:
+ sử dụng xi măng portland (Anh, Mỹ), bê tông cốt thép
+ công nghệ chế tạo thép phát triển, (tháp Eiffel 320 m, năm 1889)

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
11

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
12

Cầu Long Biên (1899 -1902)
Daydé & Pillé

Thép Damascus (Thép Wootz)

Tháp Eiffel (1887-1889)
Alexandre Gustave Eiffel

2


8/31/2021

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
13

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
14

Độ bền/tỷ trọng (Mpa.kg-1.m3 )

1.1.3. Thời kỳ chế tạo và sử dụng VL theo kiến thức khoa học
Cách mạng KHKT bùng nổ thúc đẩy ngành Vật liệu phát triển.

- 1920: Sử dụng tia Rơnghen để nghiên cứu cấu trúc vật liệu
- 1930: Hợp kim nhôm Duara
- 1935: Thép không rỉ
- 1940: Trùng hợp Polyme
- 1955: Chất bán dẫn
- 1965: Vật liệu Composite
- 1975: Hợp kim nhớ hình…
=> Sự thay đổi rõ rệt các tính chất của vật liệu

Sợi
aramid,
sợi cacbon

Composite

Gỗ,đá

Đồng
thau

Thép
Gang

Năm

Sự gia tăng đáng kể về tỷ lệ độ bền so với tỷ trọng của vật liệu
 Sự đa dạng của các sản phẩm mới

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
15

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
16

- Khoa học Vật liệu nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc bên trong

Thép thanh

Thép tấm

và tính chất của Vật liệu, là cơ sở cho việc sáng tạo vật liệu mới:
+ Giải thích rõ bản chất các tính chất vật liệu.
+ Giải thích sự thay đổi tính chất bằng cấu trúc bên trong.
+ Mối quan hệ cấu trúc & tính chất  Vật liệu mới.
-

Kỹ thuật Vật liệu nghiên cứu tính ứng dụng và kỹ thuật xử lý các
loại vật liệu cụ thể để tạo ra các loại sản phẩm mới có chất lượng tốt
nhất.
+ Xử lý nhiệt
+ Gia công

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
17

Trục cán

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
18

Trục khuỷu
Dụng cụ cắt gọt cơ khí

Bánh răng

Trục vít me
Dụng cụ đo

3


8/31/2021

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
19

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
20

Máy CNC mini

Máy CNC cỡ trung bình

Vật liệu làm khn

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MƠN HỌC
21

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MƠN HỌC
22

Quy trình thiết kế - chế tạo máy

Tại sao người kỹ sư cơ khí cần có kiến thức
về vật liệu?

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
23

1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
24

Lựa chọn vật liệu chế tạo:
- Đảm bảo an toàn cho chi tiết máy
- Độ bền lâu

- Lựa chọn vật liệu là bước Khơng thể thiếu trong q trình
chế tạo chi tiết máy

- Phù hợp với thiết kế, phương pháp gia cơng

- Địi hỏi người kỹ sư phải có sự hiểu biết về vật liệu:

- Thỏa mãn tính thẩm mỹ và tiện nghi

- Cấu trúc và đặc điểm cơ tính

- Tính kinh tế

- Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu

Lựa chọn vật liệu thay thế:

- Điều kiện làm việc của từng loại vật liệu

- Sau thời gian sử dung chi tiết sẽ bị mài mòn, nứt, gãy,….

- Lựa chọn vật liệu và phương pháp xử lý thích hợp.
- Sử dụng vật liệu thay thế và đồng bộ.

4


8/31/2021

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

25

26

1.3.1. Khái niệm chung
- Vật liệu là vật thể rắn dùng để chế tạo máy móc thiết bị, xây
dựng cơng trình, bộ phận cơ thể, sản phẩm nghệ thuật…
- Phân loại vật liệu:

4 nhóm chính

Kim loại
Polyme
dẫn điện

Polyme

Kim loại

Ceramic

Polyme

Composite

Bán dẫn

Composite

Silicone

Ceramic

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
27

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
28

1.3.2. Vật liệu kim loại
Là nhóm vật liệu trong đó nguyên tố chủ yếu là KL (hợp kim).

- Đặc điểm:
+ Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có ánh kim.
+ Dẻo, có khả năng biến dạng.
+ Độ bền cơ học cao, độ bền hoá học kém.
+ Nhiệt độ nóng chảy (thấp  cao) đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
1.3.3. Vật liệu vơ cơ – ceramic
Là nhóm vật liệu có nguồn gốc vơ cơ, thường là hợp chất giữa KL
và silic với các á kim: đất sét, gạch ngói, xi măng, thuỷ tinh.
- Đặc điểm:
+ Dẫn điện, nhiệt kém.
+ Cứng, giịn, bền nhiệt.
+ Bền hố học tốt.

1.3.4. Vật liệu Polyme (vật liệu hữu cơ)
Là nhóm vật liệu có nguồn gốc hữu cơ, có cấu trúc cao phân tử,
thành phần chủ yếu là C, N, H, O.

- Đặc điểm:
+ Dẫn điện, nhiệt kém, nhẹ, độ bền thấp.
+ Dẻo, bền hoá học ở nhiệt độ thường.
+ Nóng chảy và phân huỷ ở nhiệt độ khơng cao.
1.3.5. Vật liệu composite:
Là nhóm vật liệu kết hợp từ 2-3 nhóm vật liệu trên, tổ hợp được
tính chất tốt của các nhóm  nhóm vật liệu tiềm năng.
+ Kim loại + Ceramic = Bê tông cốt thép.
+ Polyme + Ceramic = Vỏ máy bay, tàu thuyền.

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
29

So sánh khối lượng riêng của vật liệu ở nhiệt độ phòng

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
30

So sánh mô đun đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ phòng

5


8/31/2021

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
32

So sánh độ bền của vật liệu ở nhiệt độ phòng
So sánh độ dai phá huỷ của vật liệu ở nhiệt độ phòng

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
33

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
34

1.3.6. Vật liệu bán dẫn

3 nhóm phụ
Bán dẫn

Là một loại vật liệu có tính dẫn điện nằm trung gian giữa kim loại
và chất cách điện.
- Chất bán dẫn cơ bản Si, Ge, C…và bán dẫn hợp chất GaAs,
GaP…
- Đặc điểm:
+ Rất nhạy cảm với sự hiện diện của nồng độ tạp chất
+ Bền nhiệt

Silicone

=> Đã hồn tồn cách mạng hóa ngành cơng nghiệp điện tử và
máy tính trong ba thập kỷ qua.

Polyme dẫn điện

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
35

1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
36

1.3.7. Vật liệu silicone
Là vật liệu đàn hồi chứa các polymer polydimethyl siloxane mạch
thẳng được kết mạng trong mạng lưới 3 chiều.
- Đặc điểm:
+ Chịu nhiệt
+ Đàn hồi như cao su

1.3.8. Vật liệu polyme dẫn điện

Là vật liệu với 1 hệ kéo dài của cacbon liên hợp C=C, được tổng
hợp bằng phản ứng khử hoặc oxi hóa (doping), cho vật liệu có độ
dẫn điện lên đến 105 S/cm.
- Đặc điểm:
+ Dẫn điện
+ Nhẹ, dễ gia công
+ Không chịu được nhiệt độ cao

So sánh độ dẫn điện của vật liệu ở nhiệt độ phòng

6


8/31/2021

1.4. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN - VẬT LIỆU MỚI

1.4. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN - VẬT LIỆU MỚI

38
37

Phân loại vật liệu nano

Vật liệu Nano
-

Cấu trúc nano với tổ chức tế vi có phạm vi kích thước nằm giữa 1 và
100 nanometer

-

Tính chất ưu việt về cơ học, điện, từ, quang học hay các tính chất khác

 ngày càng đươc sử dụng rộng rãi trong sản suất các linh kiện điện tử,
các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao
 Vật liệu của tương lai

Vật liệu thông minh
-

Nhận biết, phát hiện sự thay đổi của mơi trường (sensor)

-

Thay đổi hình dạng, vị trí, tính chất cơ học, … để đáp ứng sự thay đổi
của nhiệt độ

1.4. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN - VẬT LIỆU MỚI

1.4. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN - VẬT LIỆU MỚI

39

40

Vật liệu thân thiện với môi trường

Vật liệu sinh học

- Các chất có thể tự phân hủy trong mơi trường

-

Được sử dụng trong các bộ phận được cấy ghép vào cơ thể người

- Suy giảm quang học hay các tính chất khác để giảm thiểu độc hại khi thải
ra môi trường

-

Thay thế các bộ phận cơ thể bệnh hoạn hoặc hư hỏng

- Các chất độc hại từ vật liệu và phải phù hợp với các mô của cơ thể (không được gây
ra Phản ứng sinh học bất lợi)
- Vật liệu sinh học có thể làm từ kim loại, gốm sứ, polyme, composite và chất bán dẫn

7